【知識】金屬材料疲勞強度的八大主要影響因素

本文轉載自公眾號《材料基》

材料的疲勞強度對各種外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內在因素包括材料本身的成分，組織狀態(tài)、純凈度和殘余應力等。這些因素的細微變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。

各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結構設計、以及正確選擇材料和合理制訂各種冷熱加工工藝提供依據，以保證零件具有高的疲勞性能。

01應力集中的影響

02尺寸因素的影響

由于材料本身組織的不均勻性以及內部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。尺寸效應的存在，是把試驗室小試樣測得的疲勞數據運用于大尺寸實際零件中的一個重要問題，由于不可能把實際尺寸的零件上存在的應力集中、應力梯度等完全相似地在小試樣上再現出來，從而造成試驗室結果與某些具體零件疲勞破壞之間的互相脫節(jié)。

03表面加工狀態(tài)的影響

機加工的表面總存在著高低不平的加工痕跡，這些痕跡就相當于微小缺口，在材料表面造成應力集中，從而降低材料的疲勞強度。試驗表明，對于鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光相比，疲勞極限要降低10%－20%甚至更多。材料的強度越高，則對表面光潔度越敏感。

04加載經歷的影響

實際上沒有任何零件是在絕對恒定的應力幅條件下工作，材料實際工作中的超載和次載都會對材料的疲勞極限產生影響，試驗表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現象。

所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運行達到一定周次后，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高，造成損傷所需的周次越短，如下圖所示。

損傷線

事實上，在一定條件下，少量次數的超載不僅不會對材料造成損傷，由于形變強化、裂紋尖端鈍化以及殘余壓應力的作用，還會對材料造成強化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應對超載損傷的概念進行一些補充和修正。

所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應力水平下運行一定周次后，造成材料疲勞極限升高的現象。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關，塑性好的材料，一般來說鍛煉周期要長些，鍛煉應力要高些方能見效。

05化學成分的影響

材料的疲勞強度與抗拉強度在一定條件下存在著較密切的關系，因此，在一定條件下凡能提高抗拉強度的合金元素，均可提高材料的疲勞強度。比較而言，碳是影響材料強度的最主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質元素則對疲勞強度產生不利影響。

06熱處理和顯微組織的影響

不同的熱處理狀態(tài)會得到不同的顯微組織，因此，熱處理對疲勞強度的影響，實質上就是顯微組織的影響。同一成份的材料，由于熱處理不同，雖然可以得到相同的靜強度，但由于組織的不同，疲勞強度可在相當大的范圍內變化。

在相同的強度水平時，片狀珠光體的疲勞強度明顯要低于粒狀珠光體。同是粒狀珠光體，其滲碳體顆粒越細小，則疲勞強度越高。

顯微組織對材料疲勞性能的影響，除了和各種組織本身的機械性能特性有關外，還和晶粒度以及復合組織中組織的分布特征有關。細化晶?？商岣卟牧系钠趶姸取?/strong>

07夾雜物的影響

夾雜物本身或由它而產生的孔洞相當于微小缺口，在交變載荷作用下將產生應力集中和應變集中，成為疲勞斷裂的裂紋源，對材料的疲勞性能造成不良影響。夾雜物對疲勞強度的影響不僅取決于夾雜物的種類、性質、形狀、大小、數量和分布，而且還取決于材料的強度水平以及外加應力水平及狀態(tài)等因素。

不同類型的夾雜物其機械和物理性能不同，和母材性能之間的差異不同，對疲勞性能的影響也不同。一般說來，易變形的塑性夾雜物（如硫化物）對鋼的疲勞性能影響較小，而脆性夾雜物（如氧化物、硅酸鹽等）則有較大的危害。

比基體膨脹系數大的夾雜物（如硫化物）因在基體中產生壓應力而影響小，而比基體膨脹系數小的夾雜物（如氧化鋁等）因在基體中產生拉應力而影響大。

夾雜物與母材結合的緊密程度也會影響疲勞強度。硫化物易于變形，和母材結合緊密，而氧化物易于脫離母材，造成應力集中。由此可知，從夾雜物的類型來說，硫化物的影響較小，而氧化物、氮化物和硅酸鹽等則是危害較大的。

不同加載條件下，夾雜物對材料疲勞性能的影響也不同，在高載條件下，無論有沒有夾雜物的存在，外加載荷均足以使材料產生塑性流變，夾雜物的影響較小，而在材料的疲勞極限應力范圍，夾雜物的存在造成局部應變集中成為塑性變形的控制因素，從而強烈地影響材料的疲勞強度。也就是說，夾雜物的存在主要是影響材料的疲勞極限，對高應力條件下的疲勞強度影響不明顯。

材料的純凈度是由熔煉工藝過程決定的，因此，采用凈化冶煉方法（如真空熔煉、真空除氣和電渣重熔等）均可有效降低鋼中的雜質含量，改善材料的疲勞性能。

08表面性能變化及殘余應力的影響

表面狀態(tài)的影響除前已提及的表面光潔度外，還包括表層機械性能的變化及殘余應力對疲勞強度的影響。表層機械性能的變化可以是表層化學成分和組織不同所引起，也可以是表層因形變強化而引起。

滲碳、氮化和碳氮共滲等表面熱處理除了可以增加零件的耐磨性之外，還是提高零件疲勞強度，特別是提高耐腐蝕疲勞和咬蝕的一種有效手段?！?/span>

表面化學熱處理對疲勞強度的影響主要取決于加載方式、滲層中的碳氮濃度、表面硬度及梯度、表面硬度與心部硬度之比、層深以及表面處理所形成的殘余壓應力的大小和分布等因素。大量試驗表明，只要是先加工缺口后經化學熱處理，則一般說來缺口越尖銳，疲勞強度的提高也越多。

不同的加載方式下，表面處理對疲勞性能的影響也不同。軸向加載時，由于不存在應力沿層深分布不均的現象，表層和層下的應力相同。在這種情況下，表面處理只能改善表面層的疲勞性能，由于心部材料未得到強化，因而疲勞強度的提高有限。在彎曲和扭轉條件下，應力的分布集中于表層，表面處理形成的殘余應力和這種外加應力疊加，使表面實際承受的應力降低，同時，由于表層材料的強化，因而能有效地提高彎曲和扭轉條件下的疲勞強度。

和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強度降低，則會使材料的疲勞強度大幅度降低。同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應、鍍層在基體金屬中引起的殘余拉應力以及電鍍過程中氫氣的浸入導到氫脆等原因，使疲勞強度降低。

采用感應淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應力，因而也是提高零件疲勞強度的有效方法。

表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時使表面產生殘余壓應力，因而也是提高疲勞強度的有效途徑。

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